JP2004132797A

JP2004132797A - 蓄電池の内部インピーダンス測定方法および蓄電池の内部インピーダンス測定装置

Info

Publication number: JP2004132797A
Application number: JP2002296819A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Takahashi; 高橋　清; Yuichi Watakabe; 渡壁　雄一
Original assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Current assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: JP4054652B2

Abstract

【課題】ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを計測する手法を提供する。
【解決手段】複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生手段および交流電圧計測手段を用いて測定する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる交流起電力成分および前記交流電流発生手段に直列接続された計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、共通のアナログフィルタで処理した後、共通のディジタルフィルタで処理する工程を含むようにする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電池の内部インピーダンスを測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを測定する方法として、いわゆる交流４端子法が知られている。
【０００３】
交流４端子法とは、内部インピーダンス測定対象の蓄電池に交流電流を流し、その際の発生起電力を計測することにより蓄電池の内部インピーダンスを求めるものである。
【０００４】
交流４端子法による蓄電池の内部インピーダンス測定の原理図を図５に示す。図５において、１は蓄電池、２は蓄電池群、３は交流電流発生手段、４は交流電圧計測手段であり、蓄電池１と並列に交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４が接続されている。
【０００５】
ここで、蓄電池群２とは、目的の電圧値を得るために複数の蓄電池１が直列接続されたものである。例えば、鉛蓄電池の場合は蓄電池１個あたりの起電力が約２Ｖであり、これを６個直列接続して約１２Ｖの起電力を得るようにしたものなどを本明細書では蓄電池群２と定義している。
【０００６】
交流電流発生手段３は、蓄電池１の内部インピーダンスを測定するための交流電流（本明細書では計測電流と表記する）を発生させるものである。この交流電流発生手段３は、例えば交流定電流源として機能するものであって、原理的に内部インピーダンスは無限大である。
【０００７】
交流電圧計測手段４は、交流電流発生手段３が発生した計測電流により蓄電池１に生じた起電力を計測するものである。この交流電圧計測手段４は、例えば交流電圧計として機能するものであって、原理的に内部インピーダンスは無限大である。
【０００８】
ところで、蓄電池１の内部インピーダンスの値は、一般に５ｍΩ以下であることが多く、内部インピーダンスの測定精度を高めるためには大きな計測電流を流す必要がある。
【０００９】
また、蓄電池群２は、電源装置のバックアップ用として使用されることが多く、この場合には商用電源の周波数である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、および商用電源の周波数の高調波成分のリップル電流が蓄電池１に流れるため、場合によっては、計測電流による交流起電力成分がリップル電流等のノイズ成分による交流起電力成分に埋もれてしまい、内部インピーダンスの測定精度が大きく低下する。
【００１０】
ところで、蓄電池の内部インピーダンスを測定するにあたり、蓄電池において発生した被計測起電力を同期検波手段により計測する手法が知られている（特許文献１）。この手法は、被計測起電力成分の周期性を利用して、被計測起電力成分の周期と一致しないノイズ成分を除去するものである。
【００１１】
【特許文献１】
特表２０００−５０２１７７号公報（請求項１３、請求項２６、明細書１２ページ２行〜１９ページ２７行参照）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、同期検波をするための回路および装置は一般に複雑なものであり、蓄電池の内部インピーダンスを測定する際のコストアップの原因となる。
【００１３】
そこで、本発明では、ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを測定する手法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生手段および交流電圧計測手段を用いて測定する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる被計測起電力成分および前記交流電流発生手段に直列接続された計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、実質的に同一の特性を有するアナログフィルタで処理した後、実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタで処理する工程を含むことを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる被計測起電力成分および前記計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、共通のアナログフィルタで処理した後、共通のディジタルフィルタで処理する工程を含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスの測定を行うための、交流電流発生手段および交流電圧計測手段を有する蓄電池の内部インピーダンス測定装置において、前記交流電流発生手段には計測電流検出手段が直列接続されており、前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形は実質的に正弦波であり、前記交流電圧計測手段は、単一のアナログフィルタを含むアナログ信号処理手段と、単一のディジタルフィルタを含むディジタル信号処理手段と、前記アナログ信号処理手段への入力を切り替える入力切替手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
すなわち、本発明は、蓄電池の内部インピーダンス測定にあたり、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる被計測起電力成分および前記交流電流発生手段に直列接続された計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、実質的に同一の特性を有するアナログフィルタで処理した後、実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタで処理する工程を含むため、同期検波手段を用いた場合やディジタルフィルタのみで処理した場合と比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることがきわめて安価に実現可能となり、ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを測定することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置の概略を示すブロック図である。図１において、１は蓄電池、２は蓄電池群、３は交流電流発生手段、４は交流電圧計測手段であり、蓄電池１と並列に交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４が接続されている点は、図５と同様である。さらに図１では、交流電流発生手段３と直列に計測電流検出手段５が設けられ、計測電流検出手段５の両端には交流電圧計測手段４が接続されている。
【００２０】
蓄電池群２を構成する各蓄電池１としては、鉛蓄電池などが用いられるが、液面の変化などで劣化の判断をすることが困難な密閉型鉛蓄電池を用いることが効果的である。
【００２１】
蓄電池群２とは、前述のとおり、目的の電圧値を得るために複数の蓄電池１が直列接続されたものである。蓄電池１が起電力約２Ｖの鉛蓄電池の場合、６個、１２個、２４個直列接続してそれぞれ約１２Ｖ、約２４Ｖ、約４８Ｖの起電力を得ることができる。
【００２２】
交流電流発生手段３は、前述のとおり、蓄電池１の内部インピーダンスを測定するための交流電流（計測電流）を発生させるものであって、交流定電流源として機能する。この交流電流発生手段３は、蓄電池１に対して交流電流を供給するようにしてもよく、蓄電池１から交流電流を放電させるようにしてもよい。
【００２３】
交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形は、実質的に正弦波とすることにより、高調波成分の影響を少なくして蓄電池１の内部インピーダンスを測定することが可能となる。
【００２４】
交流電圧計測手段４は、前述のとおり、交流電流発生手段３が発生した電流により蓄電池１に生じた被計測起電力を計測するものである。
【００２５】
計測電流検出手段５は、交流電流発生手段３が発生する交流電流を検出するものであって、例えば０．１Ω程度の抵抗器（シャント抵抗）などを用いることができる。また、計測電流検出手段５の両端に交流電圧計測手段４が接続されていることにより、交流電圧計測手段４を計測電流の管理に用いることが可能となる。
【００２６】
また、図１において、交流電圧測定手段４は、アナログ信号処理手段４１、Ａ／Ｄ変換手段４２、ディジタル信号処理手段４３、記憶手段４４、入力切替手段４５を有する。
【００２７】
アナログ信号処理手段４１は、交流電流発生手段３が発生する交流電流の周波数と同一の周波数を通過させるバンドパスフィルタなどのアナログフィルタ機能を有し、必要に応じて当該周波数に利得帯域を有する交流増幅器を有する。アナログフィルタ機能は、演算増幅器に抵抗器およびコンデンサを接続したアクティブフィルタ回路などのような回路を用いて容易に得ることができる。アナログ信号処理手段４１で処理された信号は、Ａ／Ｄ変換手段４２に送られる。
【００２８】
Ａ／Ｄ変換手段４２は、アナログ信号処理手段４１からの信号をアナログ信号からディジタル信号に変換するものである。Ａ／Ｄ変換手段４２で処理された信号は、ディジタル信号処理手段４３に送られる。
【００２９】
ディジタル信号処理手段４３は、Ａ／Ｄ変換手段４２から送られた信号から、交流電流発生手段３が発生する交流電流の周波数と同一の周波数を抽出するためにディジタルフィルタ処理を行う。また、ディジタル信号処理手段４３は、ディジタルフィルタ処理された信号を計測結果として記憶手段４４に記憶させる機能と、記憶手段４４に記憶された計測手順に基づいて入力切替手段４５を制御する機能とを有する。さらに、記憶手段４４に記憶された計測手順に基づいて交流電流発生手段３を制御する信号を交流電流発生手段３に送る機能を有していることが望ましい。
【００３０】
また、ディジタル信号処理手段４３は、計測された電流値および起電力のデータに基づいて内部インピーダンスを算出する機能を有する。内部インピーダンスの算出結果は、記憶手段４４で記憶される。必要に応じて、交流電圧測定手段４の内部または外部に、内部インピーダンスの算出結果を表示する手段を設けてもよい。
【００３１】
記憶手段４４は、ディジタル信号処理手段４３における処理結果を記憶し、さらに入力切替手段４５を制御する信号を含む計測手順に関する信号を記憶する。この計測手順に関する信号には、交流電流発生手段３を制御する信号が含まれていることが望ましい。
【００３２】
入力切替手段４５は、アナログ信号処理手段４１に入力される信号を、蓄電池１側または計測電流検出手段５に切り替えるものである。入力切替手段４５としては、例えば継電器（リレー）が用いられるが、その他の切替手段も状況に応じて適用可能である。入力切替手段４５が蓄電池１に接続されている場合には、交流電圧測定手段４は蓄電池１の起電力を計測し、入力切替手段４５が計測電流検出手段５に接続されている場合には、交流電圧測定手段４は交流電流発生手段３が発生する交流電流が計測電流検出手段５に流れることにより生じる起電力を計測する。
【００３３】
本実施形態では、交流電圧測定手段４にアナログ信号処理手段４１とディジタル信号処理手段４３とを設け、アナログ信号処理手段４１はアナログフィルタ機能を有するため、例えば交流電流発生手段３が発生する正弦波状の交流電流の周波数を１６Ｈｚとした場合、蓄電池群２が接続された図示しない電源装置からのノイズの主要成分の周波数である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの成分を、電圧比で２０ｄＢ以上抑制することが可能となり、ディジタル信号処理手段４３に入力されるノイズ成分を効率よく抑制することができる。
【００３４】
もし、アナログ信号処理手段４１を用いることなくディジタル信号処理手段４３のディジタルフィルタ機能のみで本実施形態と同レベルの機能を実現しようとした場合、本実施形態の１０倍以上の分解能を有するＡ／Ｄ変換手段４２が必要となる。例えば、本実施形態で１２ｂｉｔのＡ／Ｄ変換手段４２を用いている場合、その１０倍以上の分解能を有する１６ｂｉｔ以上のＡ／Ｄ変換手段４２が必要となり、Ａ／Ｄ変換手段４２が高価になるという問題点がある。
【００３５】
すなわち、本実施形態によれば、ディジタル信号処理手段４３におけるディジタルフィルタ処理の分解能を上げることなくノイズ成分の影響を最小限にして交流電流発生手段３が発生する正弦波周波数の成分を抽出することがきわめて安価に実現可能となる。すなわち、ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを測定することができる。
【００３６】
ところで、アナログ信号処理手段４１のアナログフィルタ機能は、前述のとおり、抵抗器およびコンデンサを含んでおり、これらの温度特性等によりアナログフィルタ機能のフィルタ特性が変化することがある。例えば、計測電流の周波数において温度２５℃で２８．８ｄＢのゲインを有するように設計されたアナログ信号処理手段４１の特性値が、温度変化によりコンデンサ容量が＋５％変動することにより、２７．９ｄＢのゲインとなり、約−０．９ｄＢ変化する。この値は、電圧値として約５％計測値が変動することと等価であり、高精度の計測状態を維持するためには、蓄電池の内部インピーダンス測定装置の使用温度範囲において５％よりきわめて変動の少ない特性の良い部品を選択する必要がある。抵抗器では蓄電池の内部インピーダンス測定装置の使用温度範囲において±０．２％以内の特性のものを得ることが十分可能であるが、コンデンサでこのレベルの温度特性を実現することはきわめて難しく、またきわめて高価となってしまう。
【００３７】
そこで、アナログ信号処理手段４１への蓄電池１の起電力および計測電流検出手段５の起電力の入力を、入力切替手段４５により切り替えることにより、共通のアナログフィルタを含むアナログ信号処理手段４１で処理した後、共通のディジタルフィルタを含むディジタル信号処理手段４３で処理し、これらの起電力の計測誤差の直接の原因となるアナログフィルタのゲイン変動を、計測電流検出手段５の温度特性等による起電力の変動分程度にとどめることができ、蓄電池１の内部インピーダンスの測定誤差を小さくすることができる。
【００３８】
なお、本実施形態は、図１のように、蓄電池１の両端に生じる被計測起電力成分および前記計測電流検出手段５の両端に生じる交流起電力成分を、共通のアナログフィルタを含むアナログ信号処理手段４１で処理した後、共通のディジタルフィルタを含むディジタル信号処理手段４３で処理するような装置を用いることが望ましいが、本発明の実施形態はこれに限らず、蓄電池１の両端に生じる被計測起電力成分および前記計測電流検出手段５の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、実質的に同一の（すなわち計測精度に大きな影響を与えない程度に近い）特性を有する個別のアナログフィルタで処理した後、実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタで処理するようなものであればよいことはいうまでもない。
【００３９】
次に、本発明の蓄電池の内部インピーダンス測定方法について説明する。図２は、本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定方法の概略を示す流れ図である。図２のように、本実施形態は、計測電流Ｉの測定（ステップ−１）、被計測起電力Ｖの測定（ステップ−２）、内部インピーダンスＺ（＝Ｖ／Ｉ）の測定（ステップ−３）の３つのステップからなっている。
【００４０】
次に、上記ステップ−１、ステップ−２の詳細を図面に基づいて説明する。以下では、図１の符号を利用して説明する。
【００４１】
図３は、図２のステップ−１の詳細の一例を示す流れ図である。その内容を以下に説明する。
【００４２】
（ステップ−１Ａ）
交流電流発生手段３を作動させる。この場合、図１に示されるように、ディジタル信号処理手段４３から交流電流発生手段３を制御する制御信号が送られる。
（ステップ−１Ｂ）
ディジタル信号処理手段４３から入力切替手段４５に制御信号を送り、入力切替手段４５を計測電流検出手段５側に切り替える。
（ステップ−１Ｃ）
交流電流発生手段３が発生する交流電流が計測電流検出手段５に流れることにより生じる起電力の信号をアナログ信号処理手段４１により処理し、交流電流発生手段３が発生する交流電流の周波数以外の周波数成分を低下させる。
（ステップ−１Ｄ）
上記ステップ−１Ｃで得られた信号を、Ａ／Ｄ変換手段４２でディジタル信号に変換する。
（ステップ−１Ｅ）
ディジタル信号処理手段４３により、上記ステップ−１Ｄで得られたディジタル信号にディジタルフィルタ処理を施す。
（ステップ−１Ｆ）
上記ステップ−１Ｅで得られたディジタル信号のうち、交流電流発生手段３が発生する交流電流の周波数と同一の周波数を有する成分をディジタル信号処理手段４３によりピックアップし、計測電流Ｉとして記憶手段４４に保存する。なお、交流電流発生手段３が発生する交流電流の周波数と同一の周波数を有する成分そのものは電圧であるため、計測電流検出手段５の係数を考慮したうえ（例えば抵抗値０．１Ωのシャント抵抗であればその値で割る）で電流として取り扱う。
【００４３】
ここで、上記ステップ−１Ｆの処理が終了した時点でステップ−１の処理は終了するが、図２に示したように、引き続きステップ−２の処理が行われる。
【００４４】
図４は、図２のステップ−２の詳細の一例を示す流れ図である。その内容を以下に説明する。
【００４５】
（ステップ−２Ａ）
ディジタル信号処理手段４３から入力切替手段４５に制御信号を送り、入力切替手段４５を蓄電池１側に切り替える。
（ステップ−２Ｂ）
交流電流発生手段３が発生する交流電流が蓄電池１に流れることにより生じる被計測起電力の信号をアナログ信号処理手段４１により処理し、交流電流発生手段３が発生する交流電流の周波数以外の周波数成分を低下させる。
（ステップ−２Ｃ）
上記ステップ−２Ｂで得られた信号を、Ａ／Ｄ変換手段４２でディジタル信号に変換する。
（ステップ−２Ｄ）
ディジタル信号処理手段４３により、上記ステップ−２Ｃで得られたディジタル信号にディジタルフィルタ処理を施す。
（ステップ−２Ｅ）
上記ステップ−２Ｄで得られたディジタル信号のうち、交流電流発生手段３が発生する交流電流の周波数と同一の周波数を有する成分をディジタル信号処理手段４３によりピックアップし、被計測起電力Ｖとして記憶手段４４に保存する。
（ステップ−２Ｆ）
交流電流発生手段３を停止させる。この場合、図１に示されるように、ディジタル信号処理手段４３から交流電流発生手段３を制御する制御信号が送られる。なお、交流電流発生手段３の停止は、ステップ−２Ｆでなく、ステップ−３の終了後に実行してもよいことはいうまでもない。
【００４６】
ここで、上記ステップ−２Ｆの処理が終了した時点でステップ−１の処理は終了するが、図２に示したように、引き続きステップ−３の処理が行われる。
【００４７】
図２に示されたステップ−３の処理は、ステップ１において測定された計測電流Ｉのデータと、ステップ２において測定された被計測起電力Ｖのデータとを用いて、蓄電池１の内部インピーダンスＺ（＝Ｖ／Ｉ）を求めるものである。この演算はディジタル信号処理手段４３の内部で行われる。
【００４８】
なお、図２の流れ図は、蓄電池群２を構成する蓄電池１の１個分の内部インピーダンスを測定する場合について示したものであり、複数個の蓄電池１の内部インピーダンスを測定したい場合には、図２の流れ図における計測終了の後に、計測開始に戻って繰り返し測定を行えばよいことはいうまでもない。
【００４９】
このように、本実施形態によれば、交流電流発生手段が発生する交流電流の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることが可能となり、ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを測定することができるが、その実施形態は上述したものに限られることはなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で、適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、蓄電池の内部インピーダンス測定にあたり、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる被計測起電力成分および前記交流電流発生手段に直列接続された計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、実質的に同一の特性を有するアナログフィルタで処理した後、実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタで処理する工程を含むため、同期検波手段を用いた場合と比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることがきわめて安価に実現可能となり、ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置の概略を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定方法の概略を示す流れ図である。
【図３】図２のステップ−１の詳細の一例を示す流れ図である。
【図４】図２のステップ−２の詳細の一例を示す流れ図である。
【図５】交流４端子法による蓄電池の内部インピーダンス測定の原理を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１　蓄電池
２　蓄電池群
３　交流電流発生手段
４　交流電圧計測手段
５　計測電流検出手段
４１　アナログ信号処理手段
４２　Ａ／Ｄ変換手段
４３　ディジタル信号処理手段
４４　記憶手段
４５　入力切替手段

Claims

複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生手段および交流電圧計測手段を用いて測定する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、
前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる被計測起電力成分および前記交流電流発生手段に直列接続された計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、実質的に同一の特性を有するアナログフィルタで処理した後、実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタで処理する工程を含むことを特徴とする蓄電池の内部インピーダンス測定方法。
内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる被計測起電力成分および前記計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、共通のアナログフィルタで処理した後、共通のディジタルフィルタで処理する工程を含むことを特徴とする、請求項１記載の蓄電池の内部インピーダンス測定方法。
複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスの測定を行うための、交流電流発生手段および交流電圧計測手段を有する蓄電池の内部インピーダンス測定装置において、
前記交流電流発生手段には計測電流検出手段が直列接続されており、前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形は実質的に正弦波であり、前記交流電圧計測手段は、単一のアナログフィルタを含むアナログ信号処理手段と、単一のディジタルフィルタを含むディジタル信号処理手段と、前記アナログ信号処理手段への入力を切り替える入力切替手段とを有することを特徴とする蓄電池の内部インピーダンス測定装置。